Графеновые аккумуляторы скоро появятся в продаже -

Особенности магний-графенового аккумулятора

Первые магниевые батареи были разработаны испанскими учеными в 2017 году. Графеновые аккумуляторы, в которых электролитом выступает магний, более емкие и быстрее заряжаются.

Нередко это изобретение относят к батареям нового поколения. При этом, они на 77% дешевле и на 50% легче литий-ионных аналогов.

Высокая подвижность ионов позволяет зарядить такой аккумулятор за 8 минут. А максимальной емкости достаточно, чтобы электромобиль смог проехать 1000 км.

Принцип действия любых аккумуляторов – химические процессы окисления и восстановления. Магний, который стоит практически в 20 раз дешевле лития, выбран неслучайно.

Магний, как литий, не взрывоопасен при контакте с жидкостью, также его легче утилизировать. Да и запасов его на планете куда больше.

Магний – не идеальное вещество, поэтому и с производством магний-графеновых аккумуляторов возникали сложности. Серьезной проблемой оказался подбор электролита, в котором бы передвигались ионы. Эти работы продолжаются до сих пор.

По мнению ученых, новые магний-графеновые батареи будут иметь емкость в 2,5 раза больше, чем у традиционных литиевых источников питания.

Немецкие автомобильные концерты приняли такую батарею на тестирование. Тест оказался успешным и пошли разговоры об использовании аккумуляторов в промышленности.

Магниево-графеновый аккумулятор для электромобиля

Электромобиль, работающий без использования ископаемых источников топлива, не будет таким же быстрым, как транспортное средство на бензине или «дизеле». Но снижается цена питания и обслуживания. А это уже значимый шаг, который еще более отображает перспективность машин на электричестве.

Компания Graphenano в 2017 году создала предприятие, производящее графеновые аккумуляторы. Их перспективная разработка – полимерные батареи, к сожалению, пока еще не вышла «в свет».

По их мнению, подобные источники питания станут еще безопаснее, более стойкими к возникновению коротких замыканий.

Графеновый аккумулятор для квадрокоптера

Любой летательный аппарат эффективности полета и его дальности обязан бортовой АКБ. При выборе источника энергии важны емкость, токоотдача, вес и габариты. До появления графеновых аккумуляторов непревзойденными качествами обладали литий-полимерные. Но они склонны к возгоранию при перезаряде и нагревании. Этих недостатков лишены магний графеновые аккумуляторы. Купить некоторые из образцов уже возможно.

Лучшим считается аккумулятор в жестком корпусе Turnigy Graphene 5000 mAh 2S2P. Новая батарея поддерживает высокую выходную мощность, под нагрузкой остается холодной. При этом батарея обеспечивает разряд 90С постоянно и 130С кратковременно. Вес конструкции с проводами и разъемами 291 грамм. Заряжается быстро с потреблением тока до 15 С, от LiPo зарядки.

Есть и другие аккумуляторы, разработанные на основе графеновых составляющих от разработчика Graphene. К ним относится:

модель FlyMod от компании ONBO Power;
Dinogy Ultra Graphene 02 4S 80C – вторая доработанная модель;
Thunder Power Adrenaline – лучшие модели для продолжительных полетов.

Графеновые электронакопители

Разработанные в настоящее время графеновые аккумуляторы работают на электрохимическом принципе, чем, по факту, не отличаются от более распространённых: свинцовых или литиево-ионных аккумуляторов. Но в качестве катода в них применяется угольный кокс, так как этот материал представляет собой практически чистый углерод.

Кроме того сейчас существует два основных направления развития графеновых аккумуляторов энергии:

Кобальтат лития – LiCoO2 – в качестве анода, а катод составить из монопленок кремния и графена. Но при высокой эффективности стоимость таких устройств достаточно высока, кроме того соль лития крайне токсична;
Вторым вариантом развития является использование в качестве анода оксида магния, магний графеновый аккумулятор обладает более высокими энергетическими характеристиками, чем все, что производилось ранее, хотя он и менее эффективен, чем кобальтат лития, но зато намного более дёшев и не столь опасен.

Оба пути развития имеют право на существование, хотя наиболее перспективным в современных условиях стоит признать все-таки магниево-графеновый аккумулятор.

Углерод

Графеновые аккумуляторы обладают следующими преимуществами перед традиционными:

меньший вес и габаритные размеры (в будущем, современные устройства довольно громоздки);
высокая проводимость графена;
большой ресурс и износостойкость материала;
экологическая безопасность;
удельная емкость на уровне 1кВт/ч на килограмм веса;
способность регулирования характеристик;
доступность и дешевизна сырья, углерод в трёхмерных кристаллах широко распространён в природе.

Несмотря на все преимущества графена, в настоящее время такие аккумуляторы применяются лишь в виде прототипов в автомобилестроении. Создание небольших и мощных аккумуляторов тормозит то, что учёные не могут создать мини-батарею с использованием этого материала.

В то же время использование графена на автомобиле, точнее электромобиле Tesla Model S, увеличило дальность его хода до 800-1000 км. Также на полную подзарядку всей аккумуляторной батареи требуется лишь 10-12 минут. Но преградой на пути распространения графена в этом направлении стоит высокая стоимость эксплуатации электромобилей и отсутствие разветвлённой сети зарядных станций.

Тесла С

При испытаниях на электромобиле низкую безопасность показали литиево-графеновые аккумуляторы – при взаимодействии воды и лития происходит бурная взрывная реакция. Кроме того, его запасы в природе невелики, что также негативно влияет на его распространение. По этой причине основная часть работ в этом направлении ведётся с магниевым аккумулятором.

Графеновые аккумуляторы

«Инновационный углерод» нашел применение, в первую очередь, в автомобилестроении. Точнее – в производстве электромобилей. Повышенная активность заряженных частиц позволяет увеличить полезную емкость графеновых батарей.

У графена высокая электропроницаемость

На начальных этапах разработки этих источников питания, в листы графена добавляли литий. Но вещество «бурно» реагировало на воду и другие окислители, поэтому для промышленных задач эта схема оказалась малопригодной.

Литий, контактирующий с водой на открытой местности, приводит к масштабному взрыву. Поэтому такие модификации не устанавливались в автомобили, ведь, если транспортное средство повредится, а вместе с ним и аккумулятор – это может стать причиной возгорания.

Сам процесс производства требовал большого количества лития – вещества, которого на планете не так уж и много.

Батареи литий-графенового типа долго заряжаются, из-за чего в автомобильной отрасли с их применением начали возникать сложности. Новым источником питания стали магний-графеновые аккумуляторы, о которых еще пойдет речь.

Принцип действия аккумулятора аналогичен тому, как работают классические батареи в автомобилях с ДВС. Различаются только электрохимические процессы, проходящие в «теле» устройства. Они практически аналогичны реакциям литий-полимерных батарей.

Есть две технологии производства графеновых источников питания:

американская модель. Источником реакции выступают кобальтат литий и катод из перемежающихся пластин кремния и графена;
российская модель. Магний-графеновая модификация, в которой литиевую соль (анод) заменили на оксид магния (доступное и менее токсичное вещество).

У графена высокая электропроницаемость, а еще он склонен к накоплению электрозаряда. Поэтому в обоих случаях скорость движения ионов между электродами повышается, а вместе с этим и емкость батарей.

Преимущества и недостатки

Графен экологически чистое вещество

Если сравнивать с традиционными технологиями, то у графеновых источников питания следующие достоинства:

исходное сырье доступно и распространенно. Сейчас графен производят в промышленных масштабах, причем довольно простым способом;
малый вес. Масса 1 м2 графена – менее 1 грамма. Значит, снижается общая масса аккумулятора, что вносит свои коррективы в производство электромобилей;
экологически чистое вещество, не оказывающее негативного воздействия на окружающую среду;
высокие показатели прочности и водонепроницаемости;
поврежденные участки быстро восстанавливаются;
проводимость выше, чем у любого доступного сейчас полупроводника;
высокая удельная емкость. Если графеновая батарея применяется как источник тока, то электрический автомобиль способен «на ней» проехать 1000 км не подзаряжаясь;
технически долговечное вещество, мощность которого не снижается из-за частых циклов зарядки/разрядки;
быстро заряжается.

Недостаток графенового аккумулятора – низкая плотность. По этой причине такие источники питания не устанавливаются в мобильные устройства, так как получаются слишком крупными.

Но и это не самая «страшная» проблема. Дело в том, что до сих пор батареи из графена не производят крупномасштабными партиями.

Устройство

Графеновые АКБ работают за счет той же электрохимической реакции, что присуща распространенным свинцовым батареям, в которых кислотный или щелочной электролит.

Устройство более всего схоже с литий-ионными источниками питания, в которых задействуется твердый электролит.

Единственное, катодом выступает угольный кокс, так как его химический состав наиболее близок к чистому углероду, а графитовый слой заменен графеновым.

Емкость батареи зависит от того, сколько ионов находится в кристаллической решетке анода. Скорость перемещения ионов влияет на то, как быстро заряжается аккумулятор.

Для повышения «вместимости» батареи, ученые начали устанавливать между слоями графена кластеры из кремния. А для повышения скорости зарядки в пластинах графена начали делать небольшие отверстия, 15 – 20 нм (нанометров).

Перспективы графена

Массовое введение в эксплуатацию графеновых аккумуляторов будет значительным шагом вперед не только для науки, но и для промышленности. Так, развитие массового производства этого энергоносителя повлечёт за собой:

создание производственных линий по производству графена;
создание новых моделей электромобилей;
развитие сети электрозаправок и как следствие постройка новых электростанций;
продвижение и исследование феномена Тесла по беспроводной передаче электроэнергии, вместе со строительством более разветвлённой и мощной энергосети;
создание новых мощных и компактных вычислительных устройств;
повышение экологической безопасности транспорта.

В этом отношении графен открывает новые перспективы, и не только в науке, но и в производстве и даже в быту.

Tesla S

Графеновый аккумулятор своими руками

Уже понятно, создать двухмерную структуру графена и закрепить его свойства – задача не из простых. Ученые всего мира работают над проблемой. Сделать в кустарных условиях графеновый аккумулятор невозможно.

Но усвоив, что слой углерода должен быть микроскопически тонким, мастера получают такой разными способами. Они истирют графит в тонкодисперсный порошок, производят химическую обработку, наносят его на подложку из алюминия. Предлагаем ознакомиться с одним из способов получения нужного состава.

Потребентся металлический сосуд с герметичной закрывающейся крышкой, с мешалкой. Миксер работает от асинхронного двигателя без перерыва 2 суток. В емкости смешивается в пену графитовый порошок с жидкостью Ферри. В полученной пене во взвешенном состоянии находятся микроскопические частицы графита. Высушить пену, собрать пыль, растворить ее в лаке для обработки алюминия – вот и готов «графен». Теперь состав нужно нанести на подложку из алюминия и строить магний-графеновый аккумулятор своими руками.

Есть способы сбора угольной пыли на липкую ленту, выжигание лучом лазера с получением чешуйчатого материала, растворение графита в смеси азотной и серной кислот. Высохший осадок выжигают в установке, получая легкие хлопья. Считают этот вид сажи графеном и работают с ним.

О материале графен

Известно две формы углерода – графит и алмаз. Первый используется в качестве стержней карандашей, алмаз – наиболее прочный материал на всей планете. В 2004 году российские ученые «получили» ранее неизвестную, третью форму – графен.

Особенность графеновых аккумуляторов – они мало весят, при этом имеют рекордную емкость

Сам графен – это вещество пленкообразной структуры, «собранное» из атомов углерода (как гласит википедия). В природных условиях эту двумерную пленку не встретишь. Изготавливается она человеком, для чего требуются повышенное давление и температура.

По факту, это вещество является плоскостью графита, отделенной от общей структуры материала. Атомы углерода графена «объединяются» и получается шестигранная кристаллическая решетка.

Их связь настолько высокоплотная, что вещество имеет высокую степень жесткости и огромный запас теплопроводности.

Электроны в веществе сохраняют свою подвижность, поэтому открытый в 2004 году материал годится для «внедрения» в полупроводниковые схемы, батареи и нанотехнологии. Особенность графеновых аккумуляторов – они мало весят, при этом имеют рекордную емкость.

Как продвигаются разработки графеновых аккумуляторов

Теперь посмотрим, как обстоят дела с разработкой графеновых аккумуляторов в России и других странах.

Компания Graphenano в 2015 году открыла в Испании крупное предприятие (суммарная площадь 7 тыс. кв. м.) по выпуску графеновых аккумуляторов. Завод находится в городе Екла (исп. Yecla). Над его созданием работали специалисты из компании Grabat Energy и национального университета Кордовы. На мощностях предприятия имеется 20 сборочных линий, рассчитанных на выпуск 80 млн ячеек. Первые серийные образцы этих графен─полимерных аккумуляторов предприятие должно было начать выпускать в 2017 году. Но пока никакой информации о них нет.

По заявлению руководства Graphenano, новые графеновые автомобильные аккумуляторы будут пожаробезопасными и защищёнными от короткого замыкания. Полимерный материал, используемый для их производства, был разработан немецким институтом TUV и испанским Декра. В настоящее время некоторые автомобильные концерны Германии уже тестируют продукцию Graphenano на своих моделях.

В США графитовыми аккумуляторами занимались исследователи из Северо-западного Университета под руководством профессора Гарольда Кунга (англ. Harold Kung). Они вели основные работы в направлении увеличения ёмкости графеновых аккумуляторных батарей и скорости их зарядки. Поскольку принцип работы этих АКБ похож на литий─полимерные, их ёмкость существенно зависит от числа ионов, помещающихся в кристаллическую решётку катода или анода. А скорость зарядки сильно зависит от активности передвижения этих ионов. Чтобы увеличить ёмкость графеновых аккумуляторов, исследователи разместили кремниевые кластеры между слоями графена. А скорость заряда они увеличили благодаря формированию отверстий (размер от 10 до 20 нанометров) в пластинах графена. Эти отверстия значительно ускорили передвижение ионов лития.

Исследователи из университета Monash поместили графен в гелевый раствор. Это позволяет удерживать пластины от слипания, а графен находится в стабильном состоянии и может использоваться для изготовления различных конструкций. В состав этого геля входит вода и углерод. Он не дорог в производстве и по способности накопления электрического заряда значительно превосходит литий─ионные аккумуляторы. Всё это делает новую разработку потенциально коммерчески успешной, но серийно выпускаемых образцов здесь также пока нет.

Российские специалисты предлагают использовать в качестве материала катода гипероксидированный графен, а в качестве анода ─ магний. Принцип действия аккумулятора основан на химических процессах окисления и восстановления, характерные для всех типов аккумуляторных батарей. Магний был выбран не случайно. Его стоимость ниже лития примерно в 20 раз. Кроме того, у магния нет некоторых минусов лития. В частности, литий очень активен и бурно реагирует с водой на открытом воздухе, а также его тяжело утилизировать. Кроме того, графеновый аккумулятор с магниевым анодом имеет большую энергетическую ёмкость. Технология добычи магния похожа на получение алюминия. Этот металл также содержится в глинах.

Естественно, что магний имеет и свои минусы по сравнению слитием графеновых аккумуляторов. Одной из наиболее серьёзных проблем является подбор электролита, в котором будут передвигаться ионы между анодом и катодом. Закончены ли сейчас эти работы, пока неизвестно.

В любом случае, графеновые аккумуляторы признаются перспективным направлением во многих странах мира и через некоторое время должны быть выпущены серийные образцы этих АКБ. Если они будут иметь характеристики, соответствующие заявленным, то электромобили смогут серьёзно потеснить на дорогах транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания. В результате может быть значительно улучшена экология мегаполисов и снижено потребление углеводородов. Помимо прорыва в автомобилестроении, графеновые аккумуляторы могут сделать более эффективными ветровые и солнечные электростанции. А со временем, возможно, увеличение запаса энергии аккумуляторов гаджетов и уменьшение их размеров.

История создания и команда Graphene

Для начала давайте немного познакомимся с творцами платформы. В 2013 году вышел доклад “Одноранговая биржа для полиморфных цифровых активов” Д. Ларимера, Ч. Хоскинсона и С. Ларимера. В нем была описанна созданная вскоре Даниэлем Ларимером децентрализованная биржа-банк, опирающаяся на стабильный в цене токен, с курсом привязанным к USD рыночными механизмами – BitShares. Для создания сети BitShares в 2013 году основана компания Invictus Innovations. После крайне удачной реализации проекта BitShares, весной 2015 года Даниэль организовывает новую компанию Cryptonomex и создает технологию Graphene, позволившую перейти на BitShares 2.0.

В 2015 году при участии Ларимера на базе Графена в рекордные сроки создан блокчейн и социальная сеть Steemit, токен которой короткое время занимал даже 3 место по капитализации среди всех криптовалют (сейчас колеблется между 39 и 41).

Также Дэн Лаример является автором первой операционной системы на блокчейне – EOS, токены которой занимают сейчас 11 место по капитализации криптовалют, согласно coinmarketcap.com (несмотря на то, что токен появился только в июле 2017 года).

Что за материал графен?

Графен представляет собой углеводородный кристалл, имеющий все атомы в форме шестиугольников, расположенных в одной плоскости. Выглядит он как бесцветный, тонкий лист углерода толщиной в один атом. Этот материал обладает высокой прочностью и энергоёмкостью. Графен был получен искусственным путём в 2010 году российскими учёными Андреем Гейм и Константином Новоселовым. Они сменили гражданство или проживают в Великобритании. В процессе своих исследовательских работ в Манчестерском университете им удалось получить графен на подложке оксида кремния. Это плёнка углерода в миллион раз тоньше, чем обычный лист бумаги. Учёным удалось представить данные по измерению электрической проводимости графена, эффекта Холла и Шубникова-де Гааза. В 2010 году Гейм и Новоселов получили за исследование графена Нобелевскую премию.

Несмотря на искусственное происхождение графена, специалисты не исключают, что он встречается и в естественных условиях. После получения графена лабораторных условиях он стал одним из революционных материалов XXI века. Толщина слоя графена составляет 91 пикометр. Один пикометр равен 10-12 метра. При такой толщине плёнка выдерживает нагрузку в четыре килограмма. В настоящее время исследователи многих стран пытаются разработать оптимальную технологию производства графена. Если им удастся это сделать, то графен совершить настоящую революцию в электронике. Этот материал можно будет использовать при создании полупроводниковых приборов, мониторов, а также аккумуляторов.

Что касается аккумуляторов, то графен и здесь имеет большие перспективы. Плоский кристалл может накапливать значительно больший заряд, и делает это практически мгновенно. Если это будет стандартный аккумулятор для легкового автомобиля ёмкостью 55 Ампер час, то его заряд будет продолжаться несколько секунд. Поэтому графеновые аккумуляторы могут существенно ускорить распространение в мире автомобилей на электрической тяге.

Устройство графенового аккумулятора

Как и обычные свинцово-кислотные автомобильные АКБ, графеновые аккумуляторы работают на базе электрохимических процессов. Естественно, что в основе здесь лежит другая реакция, нежели в кислотном электролите. По устройству графеновые аккумуляторы больше всего похожи на литий-полимерные аккумуляторные батареи. На сегодняшний день появились две разных технологии получения графеновых аккумуляторов.

В первом случае предлагается использовать в качестве катода чередующиеся пластины графена и кремния, а в качестве анода LiCoO2 (кобальтат лития). Во втором случае LiCoO2 предлагается заменить на оксид магния, который дешевле. На схеме ниже можно посмотреть схематическое отображение работы графенового аккумулятора.

Среди преимуществ графенового аккумулятора можно отметить следующие:

Графеновые аккумуляторы имеют значительно меньший вес, чем свинцово-кислотные или батареи иного типа. Масса одного квадратного метра графена составляет 0,77 грамма;
Высокая проводимость, которая во много раз превышает современные полупроводниковые материалы;
Имеют высокую прочность и водонепроницаемость;
Не загрязняют окружающую среду;
Высокая удельная ёмкость. У графеновых аккумуляторов она может достигать 1000 Вт/ч на 1 килограмм;
Их свойства можно регулировать благодаря сочетанию графена с другими материалами;
Довольно легко устранить повреждения;
Исходное сырьё для графеновых аккумуляторов стоит недорого, поскольку графен распространён в природе.

Есть и ряд проблем. Как говорят некоторые исследователи, плотность графеновых аккумуляторов в настоящее время не позволяет использовать их в мобильных гаджетах. Они получаются слишком большими для этого. Ведутся работы над уменьшением их размера, но серийного рабочего образца пока ещё не существует.

А вот в сфере автомобилестроения графеновые аккумуляторы имеют хорошие перспективы уже сейчас. Исследования показали, что использование графеновой аккумуляторной батареи на электромобиле Tesla Model S может увеличить пробег с 300-400 до тысячи километров. При этом на зарядку графенового автомобильного аккумулятора потребуется 5-10 минут. Для этого нужно будет оснастить АЗС мощными зарядными станциями, но это вполне решаемая проблема.

Поскольку потенциальных покупателей современных электромобилей часто отпугивает малый пробег и длительное время заряда, графеновые аккумуляторы в этой сфере будут очень востребованы. Они вполне могут решить эти проблемы и поднять популярность электромобилей. Здесь есть другая проблема, которая заключается в использовании лития в графеновых АКБ. Он бурно реагирует с водой и в природе его недостаточно для нужд мирового автомобилестроения. Поэтому специалисты стали вести разработки батарей, где вместо лития используется магний.

Что же такое блокчейн платформа Graphene, какие возможности кроются за ее применением?

Программная платформа Graphene предназначена для развертывания криптографически защищенных децентрализованных регистров третьего поколения, то есть блокчейна 3.0.

Системы на основе Graphene многократно превосходят в производительности системы на основе биткойна первого поколения или даже системы второго поколения «Bitcoin 2.0». Функции систем на основе платформы Graphene далеко выходят за рамки простых платежей как в биткоине, предлагая широкий спектр финансовых услуг, отличающихся прозрачностью.

На данный момент в экосистему входит множество не попавших на карту блокчейн проектов. Сейчас на платформе готовятся к выходу такие проекты как туристический TravelChain и финансовый GoldMint. На Графене также будет создаваться масштабный проект DEEX, представляющий собой свою экосистему с возможностью быстрой продажи и покупки криптовалюты при помощи популярных способов оплаты в любой стране. Изначально для обмена будет доступно более 10 криптовалют, включая Bitcoin, Ethereum и другие топовые альткоины. Система будет поддерживать криптовалютные банкоматы, дебетовые криптографические карты, API и торговлю на бирже.

Как мы видим, Графен может быть использован для абсолютно разных по функциональности проектов: от крупных финансовых проектов как BitShares 2.0, бирж, банков и обменников до децентрализованых социальных сетей с вознаграждением пользователя (Steemit или Голос) или игровых блокчейн платформ, требующих доказательства честности, высокую скорость операций, прозрачность и безопасность (Peerplays).

Список источников